Очевидно, что регистрация динамических свойств  скин-слоя в прототипе также была возможной, но из-за малой чувствительности устройства, связанной с единичными актами акустической эмиссии и широкой полосой регистрации, чувствительность прототипа ниже, чем в предлагаемой полезной модели не менее чем на 45 дБ.

     Описание  функциональной схемы устройства

     Устройство для обнаружения активных дефектов в металлических изделиях содержит высокочастотный блок или Блок СВЧ 1, состоящий из генератора когерентных поляризованных электромагнитных волн СВЧ (ГСВЧ) с излучающей антенной и приемника отраженных поляризованных электромагнитных волн СВЧ (ПСВЧ)с приемной антенной 3, блок питания генератора и приемника электромагнитных волн СВЧ (Блок питания СВЧ) 4, блок выделения спектральных составляющих отраженных электромагнитных волн СВЧ (Блок ВСС) 5 с блоком питания ВСС) 6, представляющий собой устройство для усиления, анализа и выделения полезных электромагнитных сигналов СВЧ (волны, импульсы), блок электронного осциллографа-самописца (Блок ЭОС) 7 с блоком питания (Блок питания ЭОС) 8, представляющий собой устройство для регистрации и обработки полученной информации, персональный компьютер (ПК) 9 с блоком питания (Блок питания ПК) 10, генератор ультразвуковых колебаний (УЗК), содержащий блок питания (Блок питания УЗК) 11, блок задающих генераторов ультразвуковых колебаний (Блок генераторов УЗК) 12, блок усилителей ультразвуковых колебаний (Блок усилителей УЗК) 13 и контактные излучатели УЗК 14.

     При этом выход приемника отраженных электромагнитных волн СВЧ соединен со входом блока выделения спектральных составляющих отраженных электромагнитных волн СВЧ 5, выход блока выделения спектральных составляющих отраженных электромагнитных волн СВЧ 5 соединен с первым входом блока осциллографа-самописца 7, выход блока электронного осциллографа-самописца 7 соединен со входом персонального компьютера 9, первый выход блока задающих генераторов ультразвуковых колебаний 12 соединен со вторым входом блока электронного осциллографа-самописца 7, второй и третий выходы блока задающих генераторов ультразвуковых колебаний 12 соединены со входами блока усилителей ультразвуковых колебаний 13, выходы блока усилителей ультразвуковых колебаний 13 связаны с контактными излучателями УЗК 14.

     Конструкция и характеристика основных узлов  устройства.

     Генератор электромагнитных волн СВЧ выполнен на диоде Ганна марки ЗА-736, имеет  выходную мощность не более 10 мВт и работает на частоте 9,8 гГц.

     Приемник  отраженных электромагнитных волн СВЧ  выполнен на смесительном диоде волноводной  серии 3А121. Блок СВЧ содержит задающий кварцевый генератор частоты 10 мГц  с усилителями мощности, модуль демодулятора с усилителями сигнала, четыре стабилизатора напряжения.

     Блок  выделения спектральных составляющих 5 состоит из генератора качающейся частоты с варикапом, напряжение на котором можно менять с периодом 0,1-2 секунды, генератора постоянной частоты, смесителя этих двух сигналов, после смешивания с выхода смесителя выделяется качающаяся частота диапазона 1 кГц-100 кГц. Диапазон качания задается вручную, причем так, чтобы центральная частота качания на выходе смесителя находилась в диапазоне 44-72 кГц. С выхода первого смесителя сигнал качающейся частоты выбранного диапазона подается на второй смеситель, который осуществляет выделение частот «нулевых» биений при смешивании с частотами сигнала, поступившего на вход блока выделения спектральных составляющих. На выходе второго смесителя установлен усилитель и фильтр с полосой пропускания 300 Гц относительно центральной 2,5 кГц. После усиления этот сигнал подается на выход блока и является входным для блока электронного осциллографа-самописца 7.

     Блок  электронного осциллографа-самописца 7 на приставке фирмы «Актаком» АСК 3116 позволяет в режиме реального времени наблюдать спектральный состав сигнала с выхода блока СВЧ 1 и записывать в память данные с выхода блока выделения спектральных составляющих (ВСС) 5. Оба варианта анализа могут быть включены одновременно на разные входы приставки. Однако анализ сигналов с разным входом выполняется раздельно.

     Файлы с записью сигналов в выхода блока  ВСС 5 могут быть переведены из графических  в цифровые с помощью программы, содержащейся в пакете прикладных программ фирмы «Актаком». Тоже самое можно проделать с файлами, записанными с выхода блока СВЧ 1.

     Дальнейший  анализ может быть проведен с цифровым представлением этих сигналов.

     Блок  задающих генераторов УЗК 12 состоит  из двух отдельных генераторов, настроенных на резонансные частоты соответствующих излучателей (44 и 72 кГц). Генератор частоты 44 кГц может перестраиваться вручную в пределах 540 Гц.

     Блок  усилителей мощности УЗК 13 содержит два  усилителя мощности для частот 44 и 72 кГц. Выход каждого усилителя через выходной повышающий трансформатор соединен с выходным разъемом блока. Амплитуду выходного сигнала каждого канала можно регулировать вручную, Блоки питания 4,6,8,10 и 11 функциональных блоков работают от сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50-60 Гц.

     Описание  работы устройства

     Включают  генератор (ГСВЧ) и приемник (ПСВЧ) когерентных поляризованных электромагнитных волн СВЧ, которые размещены в блоке СВЧ 1. Посредством излучателей антенный генератор ГСВЧ облучает волнами СВЧ с частотой 9,8 гГц поверхность контролируемого металлического изделия 15.

     Приводят  в действие генератор УЗК, для  чего включают блок задающих генераторов  УЗК 12, который вырабатывает ультразвуковые колебания с частотой несколько  десятков кГц, в частности 44 и 72 кГц. Эти УЗК направляются в блок электронного осциллографа-самописца 7 для синхронизации и блок усилителей УЗК 13, где они усиливаются и через контактные излучатели 14 воздействуют на контролируемое изделие 15.

     Указанные УЗК, имея низкую мощность, не могут непосредственно сами вызвать акустическую эмиссию в зоне активного дефекта изделия, а следовательно изменить состояние скин-слоя изделия. Для этого требуется внешнее механическое воздействие на изделие.

     Нагружают изделие 15, в результате чего в нем  возникают значительные механические напряжения. При наличии в изделии активного дефекта 16, в частности свежей трещины, под воздействием внешних механических напряжений и УЗК, излучаемых 14, в зоне наибольших напряжений дефекта 16 возникает явление акустической эмиссии металла, происходит периодическое изменение градиента механической напряженности, появление переменной составляющей скин-слоя.

     Изменения проводимости скин-слоя модулируют коэффициент  отражения для когерентной поляризованной электромагнитной волны СВЧ, изменяют спектральный состав отраженной поляризованной электромагнитной волны, принимаемой приемником ПСВЧ блока СВЧ 1. На выходе СВЧ 1 блока эта модуляция выделяется в виде низкочастотных боковых составляющих СВЧ волны и передается в блок ВСС 5. Блоком ВСС 5 производится анализ спектрального состава боковых составляющих, их усиление. Низкочастотные боковые составляющие с выхода блока СВЧ 1 могут подаваться на вход электронного осциллографа-самописца (ЭОС) 7, и наблюдаться на экране, синхронизируясь соответствующими сигналами с выхода блока задающих УЗК 12. В случае подключения выхода блока ВСС 5 ко входу ЭОС в этом блоке регистрируются и обрабатываются, передаются в персональный компьютер (ПК) 9, на экране которого их можно наблюдать и записывать в память.

     Таким образом, индикатором наличия в  изделии активного дефекта являются периодические изменения электрической  проводимости скин-слоя изделия, а не механические колебания или вибрации его поверхности, как в прототипе.

     Технические и технологические преимущества полезной модели:

     - за счет появления периодических  изменений полезного сигнала,  связанных с периодичностью воздействующего  дополнительного источника УЗК,  повышается чувствительность устройства, снижается полоса регистрации  с единиц мегагерц до сотен Герц (40 дБ),

     - за счет снижения рабочих частот  СВЧ увеличивается допуск на  люфт устройства крепления (до 1,5-2 мм), исключается необходимость  очистки (полировки) поверхности  перед исследованием, появляется  возможность контроля движущихся  и вращающихся изделий из металла,

     - появляется возможность выявления  активных дефектов в изделии,  имеющем посторонние источники  шума, поскольку они не приводят  к механическим разрушениям, изменению  градиента напряженности, не изменяют  параметры поверхностной проводимости.

     Технический результат полезной модели: увеличение чувствительности устройства, повышение  уровня его технологических и  технических возможностей.

     Формула полезной модели

     Устройство  для обнаружения активных дефектов в металлических изделиях, содержащее генератор когерентных поляризованных электромагнитных волн СВЧ, приемник отраженных когерентных поляризованных волн СВЧ, блок выделения спектральных составляющих отраженных электромагнитных волн СВЧ и блок электронного осциллографа-самописца, причем выход приемника отраженных когерентных поляризованных электромагнитных волн СВЧ соединен с входом блока выделения спектральных составляющих отраженных электромагнитных волн СВЧ, а выход блока выделения спектральных составляющих отраженных электромагнитных волн СВЧ соединен с первым входом блока электронного осциллографа-самописца, отличающееся тем, что устройство снабжено генератором ультразвуковых колебаний, содержащим блок задающих генераторов ультразвуковых колебаний, блок усилителей ультразвуковых колебаний и контактные излучатели ультразвуковых колебаний, при этом первый выход блока задающих генераторов ультразвуковых колебаний соединен со вторым входом блока электронного осциллографа-самописца, второй и третий выходы блока задающих генераторов ультразвуковых колебаний соединены с входами блока усилителей ультразвуковых колебаний, выходы блока усилителей ультразвуковых колебаний связаны с контактными излучателями ультразвуковых колебаний, а персональный компьютер подключен к выходу блока электронного осциллографа-самописца.

     6. Выводы

     Было  проведено патентное исследование в отношении основного объекта поиска «Дистанционный индикатор активных дефектов» по патентным базам РФ, Европы, Китая и США. Всего обнаружено 15 патентов, из них: 6- РФ, 4- США, 2- Китай, 3 – в базе Всемирной организации интеллектуальной собственности.

     В ходе патентного поиска был исследован уровень техники в отношении  объекта исследования «Дистанционный индикатор активных дефектов» посредствам составления матрицы «Цель - средства», которая позволила определить основные тенденции развития объекта исследования, на основании полученных в результате поиска материалов. Было выявлено, что основные тенденции направлены на осуществление динамического бесконтактного контроля дефектов, а также на увеличение чувствительности индикаторов дефектов и повышение уровня их технологических и технических возможностей, а также на повышение точности и надежности результатов измерений и увеличение диапазона микродеформаций, которые возможно зарегистрировать.

     Были  выяснены основные центры развития объекта  исследования. Таковыми являются Китай, США, Россия. Было выявлено наличие патентов на заданную тему в странах Европы, поскольку железнодорожный транспорт является стратегическим важным объектом и в экономиках европейских стран.

     Проведен  сопоставительный анализ объектов на основе сопоставления патентной формулы:

• Патент на полезную модель, №RU81577. Устройство для обнаружения активных дефектов в металлических изделиях.
•   Патент на изобретение №RU2380259. Метод неразрушающего контроля железнодорожных рельсов в процессе хода подвижного состава и устройство для его реализации.

     Сопоставительный  анализ выявил, что новый патент RU №2380259  может быть использован на территории России без нарушения правообладателя патента RU №81577, так как обладает отличительными признаками: дополнительно содержит последовательно соединенные фильтр нижних частот, усилитель сигнала, аналого-цифровой преобразователь, запоминающее устройство и нейрокомпьютер, при этом в качестве генератора СВЧ использован автодинный приемопередатчик, который соединен с антенной и с входом детектора, а выход нейрокомпьютера соединен с индикатором. Помимо заявленных индексов МПК (G01N29/04, G01N29/14), были обнаружены дополнительные: B24B39/00 - «Устройства для обработки воды в емкостях для разведения и содержания живой рыбы», B24B39/04 - «Консервирование живых тканей или органов людей или животных», G01N29/11 - «исследование и анализ твердых тел путем затухания акустических волн», G01M17/08 - «Тестирование железнодорожных транспортных средств», G01M17/10 - «Тестирование осей и колес», G01N29/00 - «Исследование или анализ материалов с помощью ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн; визуализация внутреннего строения объектов путем пропускания через них ультразвуковых или звуковых волн через предметы», B61K9/08 -«Контрольно-измерительные устройства для проверки состояния железнодорожного полотна», G01N 29/12 - «Исследование и анализ материалов путем измерения частоты или резонанса акустических волн».